在流域尺度的水文循环过程中,地表水和地下水是重要的组成部分,且两者之间常常相互转化,存在着密切的水力联系。单独分析地表水或单独分析地下水都难以刻画其在实际系统中的运移和分布规律。为实现地表水和地下水系统的整体性功能,解决水资源的合理分配及水污染的综合治理问题,进行流域尺度的地表水地下水耦合模拟研究成为未来发展的必然趋势。在现有的地表水和地下水耦合模拟研究中,大多采用迭代耦合的方式,通过交换通量将地表水和地下水系统连接起来。此外,大多数的研究报道只对区域尺度地表水和地下水水流进行耦合模拟,并未涉及整个流域的地表水地下水水质耦合模拟研究。以整个流域为操作平台,在地表水地下水水流耦合模拟模型的基础上,进一步建立水质耦合模拟模型,对整个流域的水污染综合治理有着非常重要的理论和实际意义。由于受到模型参数随机变化的影响,水质耦合模拟模型的输出结果存在着很大的不确定性。因此,有必要对地表水地下水水质耦合模拟模型进行不确定性分析。然而,当以水质耦合模拟模型为基础进行不确定性分析研究时,反复多次调用水质耦合模拟模型会产生巨大的计算负荷,建立水质耦合模拟模型的替代模型是解决这一问题的有效途径。在此过程中,为降低替代模型的输入维度,采用局部灵敏度分析方法筛选出敏感参数,从而在保证替代模型精度的前提下,更加简单、高效地建立水质耦合模拟模型的替代模型。本文以整个浑河流域为研究区,在建立地表水地下水水流和水质耦合模拟模型的基础上,结合灵敏度分析、拉丁超立方抽样和核极限学习机等方法建立水质耦合模拟模型的替代模型。对浑河流域地表水地下水水质的时空分布特征进行模拟和预报,最后运用蒙特卡洛方法对地表水地下水水质耦合模拟模型进行不确定性分析,分析模型参数的随机变化对水质耦合模拟模型预报输出结果的不确定性影响。首先,在野外实地调查、动态监测及定性分析的基础上,了解研究区的地形地貌、气象水文、水文地质条件以及土地利用情况,分析研究区地表水和地下水的运移分布特征。在地表水地下水水流和水质概念模型的基础上,分别建立地表水地下水水流和水质耦合数学模拟模型,采用HydroGeoSphere软件对耦合模拟模型进行并行同步求解,即对地表水数学模型、地下水数学模型和耦合方程同步求解。根据研究区地表水地下水同步动态监测数据,对水流耦合模型和水质耦合模拟模型进行了校正与检验。然后,运用局部灵敏度分析方法对水质耦合模拟模型参数进行分析计算,从而筛选出灵敏度最高的参数作为敏感参数。将敏感参数作为随机变量,采用拉丁超立方抽样方法对其进行随机抽样,获得输入样本数据集。通过运行地表水地下水水质耦合模拟模型,将获得的输入-输出数据集作为训练样本,建立基于径向基函数的核极限学习机替代模型,并对水质耦合模拟模型的替代模型的精度进行计算和分析。最后,应用蒙特卡罗模拟方法对地表水地下水水质耦合模拟模型进行不确定性分析,分析模型参数的随机变化对水质耦合模拟模型输出结果的不确定性影响。采用拉丁超立方抽样方法抽取一定数量的输入样本,通过运行核极限学习机替代模型,对地表水地下水溶质浓度的响应变化情况进行预报,对模型输出结果进行统计分析和区间估计。经过以上研究,得到以下几点结论:(1)在地表水地下水水流和水质耦合模拟模型的校正和检验过程中,需要获取地表水地下水同步动态监测数据,识别结果表明:地表水和地下水模拟值与实测值的拟合情况较好,说明所建立的浑河流域地表水地下水水流和水质耦合模拟模型符合研究区的实际情况。(2)局部灵敏度分析结果表明:在地表水地下水水质耦合模拟模型中,蒸发系数对模型输出结果的影响最大,将其作为敏感参数进行下一步计算。(3)应用核极限学习机方法建立地表水地下水水质耦合模拟模型的替代模型,能够在保证计算精度的前提下,大幅度降低计算负荷。(4)应用蒙特卡罗方法分析模型参数的随机变化对水质耦合模拟模型预报结果产生的不确定性影响,对模型输出结果进行统计分析和区间估计,结果表明:地表水和地下水溶质浓度的输出结果均近似服从正态分布,置信水平越高,置信区间越小。这为地表水地下水水质耦合模拟模型预报结果的可靠性分析及风险性评估提供了科学依据。